Leistungsfaktorkorrekturfilter

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Ein aktiver oder passiver Leistungsfaktorkorrekturfilter (englisch Power Factor Correction oder englisch Power Factor Compensation, abgekürzt PFC) ist eine elektrische oder elektronische Schaltung, welche den sogenannten Leistungsfaktor erhöht, damit dieser in einem gesetzlich vorgegebenen Bereich bleibt. Einsatzbereiche sind unter anderem elektronische Verbraucher mit Schaltnetzteilen, die an die öffentlichen Stromnetze angeschlossen sind.

Allgemeines[Bearbeiten]

Aktive Oberschwingungsfilter mittels Aufwärtswandler. Er magnetisiert seine Speicherdrossel mit einem vorgegebenen Strom.

Bei nichtlinearen Verbrauchern, das sind hauptsächlich Gleichrichter mit nachfolgender Glättung in Schaltnetzteilen, treten bei sinusförmiger Wechselspannungsversorgung phasenverschobene und nicht sinusförmige Eingangsströme auf. Diese setzen sich aus einer Summe höherfrequenter Anteile, also Oberschwingungen zusammen, die in den Stromversorgungsnetzen und anderen elektrischen Geräten Störungen verursachen können. In Drehstromnetzen können bei ungenügender Filterung der Oberschwingungen unter Umständen unzulässig hohe Strombelastungen auf dem teilweise aus Kostengründen schwächer dimensionierten Neutralleiter auftreten, da sich die ungeraden und durch drei teilbaren Oberschwingungen addieren, statt sich wie bei der Grundschwingung am Neutralleiter gegenseitig aufzuheben.

Der Leistungsfaktor wird durch einen Wert beschrieben, der möglichst nahe bei dem Betrag 1 liegen sollte. Das wird durch das Leistungsfaktorkorrekturfilter gewährleistet. Übliche Kompensationswerte liegen in dem Bereich um 0,98.

Auswirkung einer PFC im Stromverlauf (in blau): Oben kein Filter, mitte passives PFC, unten aktives PFC. In rot ist der sinusförmig eingeprägte Spannungsverlauf dargestellt

Zwei Varianten sind üblich:

Passive Oberschwingungsfilter (Passive PFC)
Das sind im Regelfall Drosseln mit großer Induktivität. Passive Filter sind einfach herzustellen, erzielen jedoch nur mäßig gute Ergebnisse. Sie werden meist nur bei kleinen Leistungen (bis etwa 200 Watt) eingesetzt, da ihre Drosseln groß und schwer sind. Daneben gibt es auch spezielle Schaltungsvarianten, die zu den passiven Oberschwingungsfiltern zählen (wie die Valley-Fill-Schaltung). Die Filterwirkung wird dabei durch eine spezielle Verschaltung der Glättungskondensatoren ohne große Filterdrosseln erzielt.
Aktive Oberschwingungsfilter (Aktive PFC)
Die dafür nötigen Schaltungen sind aufwändiger, erzielen aber eine sehr gute Leistungsfaktorkorrektur von typisch 0,98. Eine Art zusätzliches Schaltnetzteil, das dem eigentlichen vorgeschaltet ist, sorgt dafür, dass der aufgenommene Strom der sinusförmigen Netzspannung entspricht. Der Strom folgt genauer genommen einem Verlauf, wie ihn ein Widerstand an der aktuellen Netzspannung hervorrufen würde. Somit wird bei einer nicht genau sinusförmigen Spannung, wie sie in Stromnetzen häufig vorkommt, der tatsächliche Verlauf – nicht der idealisierte – der Netzspannung nachgefahren.
Aktive PFC-Schaltungen bestehen in der Regel aus einem Gleichrichter mit direkt nachgeschaltetem Aufwärtswandler, der einen großen Kondensator auf eine Spannung oberhalb der Scheitelspannung der Netzwechselspannung (typ. 350…400 V) auflädt (auch Zwischenkreisspannung genannt). Aus diesem wird dann der eigentliche Verbraucher (Schaltnetzteil oder z. B. elektronisches Vorschaltgerät von Leuchtstofflampen) versorgt.
Weiterhin kann eine aktive PFC Netzspannungsschwankungen ausgleichen. Oft ist sie so dimensioniert, dass damit ausgerüstete Geräte ohne Umschaltung weltweit an allen Netzspannungen arbeiten können (Weitbereichseingang von typischerweise 100…240 V).
Durch die aktive PFC werden zusätzliche hochfrequente Störungen erzeugt, welche mit einem vorgeschalteten passiven Netzfilter unterdrückt werden müssen.

PFC als Blindleistungskompensation[Bearbeiten]

Eine Blindleistungskompensation, wie sie mit einem einfachen Kondensator parallel zu einem induktiven Verbraucher erzielt wird, bewirkt demgegenüber nur eine Phasenkorrektur der Stromaufnahme bezüglich der Grundschwingung. Das Ziel, den Wirkfaktor \cos(\varphi) auf nahe Eins zu bringen, kann damit nur bei linearen induktiven Verbrauchern erreicht werden.

Bei nichtlinearen Verbrauchern ist die Angabe des auf die Grundschwingung bezogenen Wirkfaktors \cos(\varphi) nicht sinnvoll, da hier die sogenannte Verzerrungsblindleistung über die Oberschwingungen verteilt ist. Beispiele solcher Verbraucher sind Schaltnetzteile, Netzteile mit Transformator, Gleichrichter und Ladekondensator, Lichtbogenöfen, Thyristorsteller und Dimmer sowie die Gleichspannungserzeugung für Frequenzumrichter.

Neben der Blindleistungskompensation durch die PFC, die zwischen das Netz und den Gleichstrom-Verbraucher geschaltet ist, gibt es auch die parallele Kompensation. So kann z. B. eine einphasige Brückenschaltung mit abschaltbaren Ventilen und kapazitiver Last, über eine kleine Induktivität ans Netz geschaltet, als hochdynamischer Kompensator benutzt werden.

Gesetzliche Bestimmungen[Bearbeiten]

Am 1. Januar 2001 trat eine EMV-Norm in Kraft, die Vorschriften über das zulässige niederfrequente Störspektrum (Oberwellen) für elektronische Verbraucher ab 75 Watt festlegt. Näheres siehe Elektromagnetische Verträglichkeit#Gesetzliche Bestimmungen

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]